CH660176A5 - Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung. - Google Patents

Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung. Download PDF

Info

Publication number
CH660176A5
CH660176A5 CH3275/84A CH327584A CH660176A5 CH 660176 A5 CH660176 A5 CH 660176A5 CH 3275/84 A CH3275/84 A CH 3275/84A CH 327584 A CH327584 A CH 327584A CH 660176 A5 CH660176 A5 CH 660176A5
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
ceramic
intermediate layer
metal
ceramic substrate
composite element
Prior art date
Application number
CH3275/84A
Other languages
English (en)
Inventor
Jens Dr Gobrecht
Arno Dr Neidig
Original Assignee
Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=4252466&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=CH660176(A5) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Bbc Brown Boveri & Cie filed Critical Bbc Brown Boveri & Cie
Priority to CH3275/84A priority Critical patent/CH660176A5/de
Priority to EP85107213A priority patent/EP0170012B1/de
Priority to DE8585107213T priority patent/DE3569513D1/de
Priority to JP14595185A priority patent/JPS6126231A/ja
Publication of CH660176A5 publication Critical patent/CH660176A5/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/025—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of glass or ceramic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6583—Oxygen containing atmosphere, e.g. with changing oxygen pressures
    • C04B2235/6585—Oxygen containing atmosphere, e.g. with changing oxygen pressures at an oxygen percentage above that of air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/366—Aluminium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/54—Oxidising the surface before joining
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
    • H05K3/388—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal by the use of a metallic or inorganic thin film adhesion layer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Die Bonding (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Keramik-Verbundelement gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundelements. Dieses Verbundelement ist z.B. bekannt aus der US-A 3 766 634.
In der Technik der Leistungshalbleiter und Hybridschaltungen bzw. Leistungsmodule finden zunehmend Metall-Ke-ramik-Verbindungen Verwendung, die ohne Löten oder Kleben nach dem sogenannten «direct bonding»-Verfahren hergestellt werden (siehe z.B. US-A 3 994 430).
Bei diesem «direct bonding»-Verfahren wird eine Metallschicht mit einem darunterliegenden Keramiksubstrat durch eine eutektische Zwischenschicht fest verbunden. Die elektische Zwischenschicht besteht aus einem Eutektikum, das aus dem Metall der Metallschicht (z.B. Cu) und einer entsprechenden Metallverbindung (z.B. Cu20) gebildet wird und dessen Schmelzpunkt unterhalb dem des reinen Metalls liegt.
Bei der Herstellung der Verbindung wird die Metallschicht in Form einer Folie auf das Keramiksubstrat gelegt und die so gebildete Schichtanordnung auf eine Temperatur zwischen der eutektischen Temperatur und der Schmelztemperatur des reinen Metalls erhitzt. Eine das Keramiksubstrat benetzende, flüssige eutektische Zwischenschicht bildet sich 5 unter diesen Bedingungen dann aus, wenn die Erhitzung entweder in einer reaktiven Atmosphäre erfolgt (US-A 3 766 634) oder, wie im Falle einer Cu-Metallschicht, der benötigte Sauerstoff durch vorherige Oxidation der Cu-Folie in die Zwischenschicht eingebracht wird (US-A 3 994 430). io Mittels des bekannten Verfahrens sind mit Erfolg feste Verbindungen zwischen verschiedenartigen Metallschichten, insbesondere jedoch aus Cu, und Keramikschichten aus A1203 oder BeO hergestellt und z.B. als Substrate für Hybridschaltungen verwendet worden. Die Metallschicht wird 15 in solchen Fällen strukturiert und bildet Leiterflächen und Leiterbahnen, auf welche dann diskrete Bauelemente aufgelötet werden. Die thermische Belastbarkeit einer solchen Hybridschaltung wird dabei im wesentlichen durch die Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats bestimmt, über das die 20 in den Bauelementen entstehende Wärme an eine Kühlfläche oder die Umgebung abgegeben wird.
Sowohl bei integrierten Schaltungen wie auch in Modulen der Leistungselektronik werden jedoch die Flächen der Aktivteile und die pro Flächeneinheit abzuführende Verlust-25 leistung ständig grösser. Diese Zunahme in der thermischen Belastung stellt an die thermische Ankopplung der Bauelemente und damit an die thermischen Eigenschaften des Keramiksubstrats erhöhte Anforderungen.
Die konventionelle Technik, bei der (z.B. durch «direkt 30 bonding») metallisierte Al203-Keramiksubstrate als Träger diskreter Bauelemente oder Chips verwendet werden, stösst heute bereits an ihre Grenzen. Die Gründe hierfür liegen in der relativ kleinen Wärmeleitfähigkeit von Al203-Keramik von etwa 20-25 W • m~! • K_1 sowie darin, dass der thermi-35 sehe Ausdehnungskoeffizient mehr als doppelt so gross ist wie der des gebräuchlichsten Halbleitermaterials Silizium. Die Verwendung der thermisch besser leitenden BeO-Kera-mik anstelle von A1203 ist wegen der Giftigkeit des bei der Bearbeitung anfallenden Staubes im Normalfall mit Schwie-40 rigkeiten verbunden.
Aus den genannten Gründen erhalten seit kurzem Keramikwerkstoffe grosse Beachtung, die neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute elektrische Isolationsfähigkeit aufwei-45 sen. Zu diesen Keramikwerkstoffen gehören die Nitridkeramiken, insbesondere A1N und Si3N4. Gerade die Aluminiumnitrid-Keramik zeichnet sich durch eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 100 w • m~' • K_1 aus, die viermal höher ist, als die der bisher verwendeten Al203-Keramik.
so Die Verwendung von Nitridkeramiken als metallisierte Substrate für die Montage von Leistungsbauelementen wirft jedoch Probleme auf, weil herkömmliche Metallisierungsverfahren, insbesondere das beschriebene «direct bonding»-Ver-fahren, nicht zu einer hinreichend festen Metall-Keramik-55 Verbindung führen. Gerade die technologisch wichtige Cu-Keramik-Direktverbindung mit der bekannten Schichtfolge Cu-Metallschicht, eutektische Zwischenschicht aus Cu-Cu20 und Keramiksubstrat ist für ein Keramiksubstrat aus Nitridkeramik wegen mangelnder Haftfestigkeit ungeeignet. 6o Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Metall-Keramik-Verbundelement zu schaffen, das sich gegenüber dem bekannten Metall-Al203-Verbundelement bei im wesentlichen unverminderter mechanischer Festigkeit durch eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit auszeich-65 net, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundelements anzugeben.
Die Aufgabe wird bei einem Metall-Keramik-Verbund-element der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus
dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Das Herstellungsverfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 5 gekennzeichnet.
Der Kern der Erfindung besteht darin, ein Keramiksubstrat aus einer Nitridkeramik vorzusehen und die Hafteigenschaften zwischen Nitridkeramik und der eutektischen Zwischenschicht durch eine Oxyd-Zwischenschicht zu verbessern, die mit der Nitridkeramik fest verbunden ist und von der eutektischen Zwischenschicht benetzt wird.
Das Herstellungsverfahren sieht die Verwendung einer Nitridkeramik als Substrat vor, die zunächst durch einen Temperprozess in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einer Oxyd-Zwischenschicht überzogen wird und anschliessend in an sich bekannter Weise metallisiert werden kann.
Die Erfindung soll nun nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 die Schichtenfolge eines erfindungsgemässen Me-tall-Keramik-Verbundelements;
Fig. 2A-D die verschiedenen Stadien bei der Herstellung eines erfindungsgemässen Metall-Keramik-Verbundele-ments.
Die Schichtenfolge des erfindungsgemässen Metall-Keramik-Verbundelements ist in Fig. 1 dargestellt. Auf einem Keramiksubstrat 4 aus Nitridkeramik ist eine aufgewachsene Oxyd-Zwischenschicht 3 angeordnet, die in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren durch Temperung des Keramiksubstrats 4 in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei über 1000 C hergestellt worden ist. Die Oxyd-Zwischenschicht 3 ist aufgrund der Herstellungsart mit dem Keramiksubstrat 4 fest verbunden und wirkt wegen ihres Oxydgehalts wie die Oberfläche der bekannten A1203- oder BeO-Kera-mik, d.h. wird von einer nachfolgenden eutektischen Zwischenschicht 2 im flüssigen Zustand während des «direct bonding»-Prozesses benetzt.
Die nach der Abkühlung erstarrte eutektische Zwischenschicht 2 bewirkt eine feste Verbindung zwischen der Oxyd-Zwischenschicht 3 und einer obenliegenden Metallschicht 1, die strukturiert sein kann und z.B. Leiterbahnen und -flä-chen für aktive Bauelemente bildet.
Das Keramiksubstrat 4 besteht vorzugsweise aus A1N oder Si3N4, wobei sich Aluminiumnitrid gegenüber Siliziumnitrid durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Andere geeignete Nitride können jedoch ebenfalls Verwendung finden.
Die eutektische Zwischenschicht 2 besteht aus einer eutektischen Legierung des Metalls der Metallschicht 1 und geeigneten Metallverbindungen. Beispiele für die Metalle und Metallverbindungen können aus der US-A 3 994 430 entnommen werden. Bevorzugt wird eine Metallschicht 1 aus Kupfer und eine eutektische Zwischenschicht 2 aus einer Cu-Cu20-Legierung, die sich durch eine relativ niedrige eutektische Temperatur von etwa 1065 °C auszeichnet.
Die genaue Zusammensetzung der Oxyd-Zwischenschicht 3 ist noch nicht geklärt. Der Sauerstoffanteil liegt jedoch deutlich über 50%, wobei die Sauerstoffatome entweder in Form von A1203 (bei A1N) bzw. Si02 (bei Si3N4) oder von Oxydnitriden gebunden sind.
Die Dicke der Oxyd-Zwischenschicht 3, die von der Zeit-
660 176
dauer der Temperung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre abhängt, muss oberhalb eines Minimalwertes liegen, um eine ausreichende Haftung zwischen Metallschicht 1 und Keramiksubstrat 4 zu gewährleisten. Sie sollte darüber hinaus nicht zu gross gewählt werden, weil sich die Wärmeleitfähigkeit durch die Schichtfolge der Fig. 1 mit zunehmender Dik-ke der Oxyd-Zwischenschicht verschlechtert. Ein bevorzugter Dickenbereich erstreckt sich von 0,2 |im bis etwa 5 p.m.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung des Metall-Keramik-Verbundelements mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit wird gemäss Fig. 2A von dem Keramiksubstrat 4 aus Nitridkeramik ausgegangen.
Auf dem Keramiksubstrat 4 wird durch thermische Oxydation die Oxyd-Zwischenschicht 3 erzeugt (Fig. 2B). Dabei geht man folgendermassen vor: Das Keramiksubstrat 4 wird gereinigt, getrocknet und dann in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 1100 C und 1300 CC für eine Zeit von 5 bis 60 Minuten in Luft oder reinem Sauerstoff geglüht (getempert). Dabei bildet sich an der Oberfläche der Nitridkeramik die dünne, fest haftende Oxyd-Zwischenschicht. Je länger getempert wird, bzw. je höher die Temper-Temperatur ist, desto grösser wird die Dicke der Oxyd-Zwischenschicht 3, so dass sich durch Einstellung der Parameter Temperatur und Zeit die Dicke problemlos steuern lässt.
Für die nachfolgende Metallisierung des Keramiksubstrats 4 nach dem bekannten «direct bonding»-Verfahren muss diese Dicke, wie bereits erwähnt, einen gewissen Minimalwert überschreiten, da beim Bondvorgang die Oxyd-Zwischenschicht teilweise in der flüssigen eutektischen Zwischenschicht gelöst wird.
Für die thermische Oxydation von AIN-Substraten haben sich dabei die folgenden Parameter besonders bewährt: Temperzeit: 30 Minuten Temperatur: 1200 °C Atmosphäre: Luft
Nach der Erzeugung der Oxyd-Zwischenschicht 3 gemäss Fig. 2B kann das Keramiksubstrat 4 in bekannter Weise durch «direct bonding» metallisiert werden. Dies ist in Fig. 2C beispielhaft für das Aufbringen einer Cu-Folie nach dem aus US-A 3 994 430 bekannten Verfahren dargestellt.
In diesem Fall wird auf die Oxyd-Zwischenschicht 3 des thermisch oxydierten Keramiksubstrats 4 eine voroxydierte Cu-Folie gelegt, die aus der Metallschicht 1 und einer Metalloxydschicht 5 besteht. Durch Erhitzen auf Temperaturen oberhalb der eutektischen Temperatur (bei Cu-Cu20: 1065 °C) bildet sich gemäss Fig. 2D die eutektische flüssige Zwischenschicht 2 aus, so dass nach dem Abkühlen die aus Fig. 1 bereits bekannte Schichtfolge entsteht.
Die Metallisierung ist naturgemäss nicht auf das hier beispielhaft angeführte Verfahren beschränkt, sondern kann mit allen Methoden durchgeführt werden, die bereits aus der Technologie der Oxydkeramiken bekannt sind.
Die mit der Oxyd-Zwischenschicht auf der Nitridkeramik erreichte Haftfestigkeit der Metallschicht ist vergleichbar mit der auf Al203-Keramik, so dass mit der Erfindung auf einfache Weise Metall-Keramik-Verbundelemente zur Verfügung gestellt werden können, die in ihren thermischen Eigenschaften bei gleichbleibender mechanischer Festigkeit deutlich überlegen sind.
3
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
c
1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

  1. 660176
    2
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Metall-Keramik-Verbundelement mit einem Keramiksubstrat (4), einer darüberliegenden Metallschicht (1) und einer zwischen dem Keramiksubstrat (4) und der Metallschicht (1) liegenden eutektischen Zwischenschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat (4) aus einer Nitridkeramik besteht und zwischen der eutektischen Zwischenschicht (2) und dem Keramiksubstrat (4) eine Oxyd-Zwischenschicht (3) angeordnet ist.
  2. 2. Verbundelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitridkeramik aus A1N oder Si3N4 besteht.
  3. 3. Verbundelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (1) aus Cu und die elektische Zwischenschicht (2) aus Cu und Cu20 besteht.
  4. 4. Verbundelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxid-Zwischenschicht eine Dicke von 0,2-5 um aufweist.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Verbundelements nach Anspruch 1, bei welchem Verfahren eine Metallschicht (1) durch Bildung einer eutektischen Zwischenschicht (2) mit einem Keramiksubstrat (4) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramiksubstrat (4) eine Nitridkeramik verwendet wird und vor der Bildung der eutektischen Zwischenschicht (2) auf der der Metallschicht zugewandten Seite des Keramiksubstrats zunächst eine Oxyd-Zwischenschicht (3) erzeugt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Nitridkeramik eine A1N- oder Si3N4-Keramik verwendet wird, und zur Erzeugung der Oxyd-Zwischenschicht (3) das Keramiksubstrat (4) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei Temperaturen von mehr als 1000 °C getempert wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Nitridkeramik eine AIN-Keramik verwendet wird, und zur Erzeugung der Oxyd-Zwischenschicht (3) das Keramiksubstrat (4) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 1100 °C und 1300 °C für eine Zeit zwischen 5 und 60 Minuten getempert wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffhaltige Atmosphäre Luft oder reiner Sauerstoff verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffhaltige Atmosphäre Luft verwendet wird und das Keramiksubstrat (4) für ungefähr 30 Minuten bei einer Temperatur von ungefähr 1200 °C getempert wird.
CH3275/84A 1984-07-06 1984-07-06 Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung. CH660176A5 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH3275/84A CH660176A5 (de) 1984-07-06 1984-07-06 Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung.
EP85107213A EP0170012B1 (de) 1984-07-06 1985-06-12 Metall-Keramik-Verbundelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE8585107213T DE3569513D1 (en) 1984-07-06 1985-06-12 Metal-ceramic composite element and process for its production
JP14595185A JPS6126231A (ja) 1984-07-06 1985-07-04 金属‐セラミツク複合素子およびその製法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH3275/84A CH660176A5 (de) 1984-07-06 1984-07-06 Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CH660176A5 true CH660176A5 (de) 1987-03-31

Family

ID=4252466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CH3275/84A CH660176A5 (de) 1984-07-06 1984-07-06 Metall-keramik-verbundelement und verfahren zu dessen herstellung.

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP0170012B1 (de)
JP (1) JPS6126231A (de)
CH (1) CH660176A5 (de)
DE (1) DE3569513D1 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3633907A1 (de) * 1986-08-02 1988-02-04 Altan Akyuerek Verfahren zum haftfesten verbinden eines kupferkoerpers mit einem substrat
KR940000729B1 (ko) * 1986-08-13 1994-01-28 히다찌 긴조꾸 가부시끼가이샤 질화 알루미늄 소결체 및 그 반도체 기판
US4883704A (en) * 1987-03-30 1989-11-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Circuit substrate comprising nitride type ceramics, method for preparing it, and metallizing composition for use in it
US4908116A (en) * 1989-06-01 1990-03-13 The Board Of Trustees At The Leland Stanford Junior University Capillary electrophoretic device employing structure permitting electrical contact through ionic movement
FR2658504B1 (fr) * 1990-02-20 1993-08-27 Telemecanique Procede de liaison d'une feuille de metal, telle que du cuivre, sur un substrat en nitrure d'aluminium, et produit obtenu.
US5418002A (en) * 1990-12-24 1995-05-23 Harris Corporation Direct bonding of copper to aluminum nitride substrates
FR2692887B1 (fr) * 1992-06-29 1996-11-29 Alsthom Cge Alcatel Procede pour realiser une liaison entre du cuivre et un substrat pour l'electronique de puissance en ceramique non oxyde.
AT407987B (de) * 1999-11-17 2001-07-25 Electrovac Verfahren zur vorbereitung eines a1n-substrates auf die verbindung mit einer kupferschicht
JP5677685B2 (ja) * 2011-01-28 2015-02-25 株式会社日立製作所 回路基板、及びそれを用いた半導体装置
TWI654914B (zh) * 2018-07-31 2019-03-21 國家中山科學研究院 Method for improving adhesion of ceramic carrier board and thick film circuit

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1294695A (en) * 1969-11-07 1972-11-01 Gen Electric Improvements in ceramic-metal or glass-metal seals
DE2540015A1 (de) * 1974-09-10 1976-03-25 Atomic Energy Authority Uk Poroeser siliciumnitridkoerper und verfahren zu seiner herstellung
US3994430A (en) * 1975-07-30 1976-11-30 General Electric Company Direct bonding of metals to ceramics and metals
EP0013433A1 (de) * 1979-01-05 1980-07-23 Association Pour La Recherche Et Le Developpement Des Methodes Et Processus Industriels (Armines) Wärmeoxidationbeständiges Material auf der Basis von Siliziumnitrid und Verfahren zur Herstellung dieses Materials
EP0097058A2 (de) * 1982-06-16 1983-12-28 Hitachi, Ltd. Gesinterter Gegenstand aus Siliciumcarbid mit metallisierter Schicht und Verfahren zu seiner Herstellung

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4457958A (en) * 1980-05-02 1984-07-03 Rockwell International Corporation Method of strengthening silicon nitride ceramics
JPS59190279A (ja) * 1983-04-13 1984-10-29 株式会社東芝 セラミツクス構造体及びその製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1294695A (en) * 1969-11-07 1972-11-01 Gen Electric Improvements in ceramic-metal or glass-metal seals
DE2540015A1 (de) * 1974-09-10 1976-03-25 Atomic Energy Authority Uk Poroeser siliciumnitridkoerper und verfahren zu seiner herstellung
US3994430A (en) * 1975-07-30 1976-11-30 General Electric Company Direct bonding of metals to ceramics and metals
EP0013433A1 (de) * 1979-01-05 1980-07-23 Association Pour La Recherche Et Le Developpement Des Methodes Et Processus Industriels (Armines) Wärmeoxidationbeständiges Material auf der Basis von Siliziumnitrid und Verfahren zur Herstellung dieses Materials
EP0097058A2 (de) * 1982-06-16 1983-12-28 Hitachi, Ltd. Gesinterter Gegenstand aus Siliciumcarbid mit metallisierter Schicht und Verfahren zu seiner Herstellung

Also Published As

Publication number Publication date
DE3569513D1 (en) 1989-05-24
EP0170012B1 (de) 1989-04-19
EP0170012A3 (en) 1986-02-12
EP0170012A2 (de) 1986-02-05
JPS6126231A (ja) 1986-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3036128C2 (de) Verfahren zum direkten Verbinden von Kupferfolien mit Oxidkeramiksubstraten
DE3924225C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats sowie Keramik-Metall-Verbundsubstrat
EP0839081B1 (de) Legierung, insbesondere lotlegierung, verfahren zum verbinden von werkstücken durch löten mittels einer lotlegierung sowie verwendung einer legierung zum löten
DE69122958T2 (de) Direktes verbinden von kupfer auf aluminiumnitridsubstrate
EP4021869B1 (de) Verfahren zur herstellung eines metall-keramik-substrats und metall-keramik-substrat, hergestellt mit einem solchen verfahren
DE10062108A1 (de) Leistungsmodul mit verbessertem transienten Wärmewiderstand
EP2170026B1 (de) Metall-Keramik-Substrat für elektrische Schaltkreise- oder Module, Verfahren zum Herstellen eines solchen Substrates sowie Modul mit einem solchen Substrat
DE3687389T2 (de) Hoch thermisch leitendes keramiksubstrat.
WO2010112000A1 (de) Metall-keramik-substrat
DE102009026480A1 (de) Modul mit einer gesinterten Fügestelle
DE102013108610A1 (de) Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
DE102005042554B4 (de) Metall-Keramik-Substrat und Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats
EP0170012B1 (de) Metall-Keramik-Verbundelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102005052563B4 (de) Halbleiterchip, Halbleiterbauteil und Verfahren zu deren Herstellung
DE3837788A1 (de) Verfahren zur unmittelbaren verbindung einer kupferfolie mit einem substrat aus elektrisch isolierendem material
DE10124141B4 (de) Verbindungseinrichtung für eine elektronische Schaltungsanordnung und Schaltungsanordnung
DE102011076774A1 (de) Baugruppe mit einem Träger und einem Kühlkörper
DE102010025311B4 (de) Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Schicht auf ein keramisches Substrat, Verwendung des Verfahrens und Materialverbund
DE10260851B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung für Leistungsbauelemente, Kühlvorrichtung und elektronisches Steuergerät
DE19846638C2 (de) Kompositplatte sowie Verfahren zur Herstellung und Anwendung einer solchen Kompositplatte
DE19736415C2 (de) Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik bestehenden Körper und Verfahren zu deren Herstellung
AT404207B (de) Verfahren zum herstellen elektrischer schaltkreise
DE102005046710B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Bauelementanordnung mit einem Träger und einem darauf montierten Halbleiterchip
DE3943683C2 (de) Keramik-Metall-Verbundsubstrat
EP4530277A1 (de) Metallisiertes keramiksubstrat für niederinduktives leistungsmodul und verfahren zu dessen herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
PL Patent ceased
PL Patent ceased